[发明专利]一种测量薄层异质半导体材料界面温升和热阻的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件测试领域，主要应用于异质外延或淀积的薄层半导体材料界面热阻测量与分析。

背景技术

异质结半导体器件在提升半导体器件性能参数方面，显示出重要的作用。一般外延层材料厚度只有几个微米，且受到材料生长条件的影响，不同材料界面处存在成核层、高浓度缺陷和杂质，致使异质材料界面热阻非常大。当器件工作时，有源区将产生热量，传输经过异质材料边界时造成温度骤升，对其性能参数，特别是使用寿命和可靠性带来直接影响。由于外延层材料只有几个微米，热时间常数小，变化速度快，对器件瞬态特性影响严重。同时，微米级厚度异质材料界面热阻在测量上带来很大困难。现有红外热像光学测温技术，只能给出器件的表面温度，不能实现从有源区至恒温平台的热阻构成。电学参数方法能够很好给出器件热阻构成，但由于器件栅极从反偏（工作状态）至正偏（测量状态）的切换时间延迟一般为微妙量级，难以实现对微米厚度、纳秒级瞬态变化的温升变化测量。

本技术可以应用于多种异质结半导体器件，测量方法简单、准确，适用于电子器件的可靠性测量，性能研究和器件开发领域。

本发明的工作原理：

常规电学法测量器件热阻时，先将器件施加工作状态，即栅加反偏，漏源施加正电压，电流通过栅压控制，产生电流，同时施加上的功率产生热量，致使温度升高ΔT。达到稳态后，先去除漏源电压，迅速将栅由反偏转为正偏，检测正向小测试电流下，栅电压的变化ΔV（t），由于结电压随温度下降会增加，通过采集有源区ΔV（t）变化，可以获得瞬态温升曲线，再应用热阻微分结构函数曲线，提取热传输通道上各部分热阻构成，达到测量异质材料界面热阻的目的。

但一般器件栅极从反偏（工作状态）至正偏（测量状态）的切换时间延迟一般为微秒量级，难以实现对微米厚度、纳秒级瞬态变化的温升变化测量。

本发明技术方案：

1、选择一被测器件，将其放置一温度为T0恒温平台；在栅源电极组成的肖特基结上接入一小的正向电流(1-5mA)，结电压为V0；并将其与一采集卡相连，以采集肖特基结电压；

2、将一加热的激光光源，调整照射光束至器件的栅极和漏极之间区域，激光器照射的能量密度为W；若照射到器件表面的面积为S，激光照到表面的透射率为ν，则半导体器件样品的热功率为Wh=WSν；

3、启动激光照射的同时，启动采集卡，采集肖特基结电压V(t)随加热时间的变化；当施加的热源与恒温平台之间达到稳定状态后，结电压V(t)不再随加热时间变化，温升引起结电压随时间变化的曲线：ΔV(t)= V(t)-V0; 

4、通过设置恒温平台温度来设定两个温度T1、T2，分别采集两个温度下器件肖特基结电压V2、V1，肖特基结的温度系数

α=(V2-V1)/(T2-T1);

5、器件异质结瞬态温升曲线ΔT(t)=(V(t)-V0)/α；将ΔT(t)和Rth(t)数据输入至商业热阻测试仪器(例如Analysis Tech公司 Phase 11热阻分析仪)，或结构函数处理软件，即得到器件外延层薄层以及不同部位的温升；

6、结合热阻定义Rth=ΔT(t)/Wh即可得到器件内部各层的热阻；

本发明中，始终使器件肖特基栅处于正向偏置测温状态，避免了状态转换切换时间，而加热方式采用光学，如激光加热或红外灯加热等方式，加热和测量分离开来，能够实现实时、快捷、便利测量器件，尤其是对薄层异质结在内的温升和热阻构成。

附图说明

图1异质结半导体芯片及加热方式示意图；

图2异质结半导体器件有源区温升曲线图；

图3微分结构函数方法提取芯片内部各层温升示意图；

图4微分结构函数方法提取芯片内部热阻示意图；

具体实施方式

选择一单指AlGaN/GaN HEMT器件为待测器件，器件结构如图1所示，1为100微米的SiC层，2为厚度为2微米的GaN层，3为25纳米的AlGaN层。其漏极6 和源极5之间的距离为4.5微米，栅极4和源极5之间的距离为1.5微米，栅长为0.5微米，栅宽为100微米。

将器件置于恒温平台，使其与恒温平台接触良好，在栅极4和源极5组成的肖特基结上接入正向测试电流，测试电流值为1毫安，并将其与一50MHz的AD采集卡连接，用来记录栅极4和源极5之间的正向压降，